光伏發電在可再生能源結構中的地位與發展分析

甘肅省太陽能光伏重點實驗室 甘肅省科學院自然能源研究所 ■ 喬俊強喜文華 李世民

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光伏發電在可再生能源結構中的地位與發展分析

甘肅省太陽能光伏重點實驗室 甘肅省科學院自然能源研究所 ■ 喬俊強*喜文華 李世民

摘 要：結合對全球光伏發電等可再生能源發展現狀的研究，對光伏發電在可再生能源結構中的份額和發展趨勢進行了分析和預測。結果表明，未來全球光伏發電裝機容量及其發電量在可再生能源中占比都將穩步提高，預計2020年將分別達到15.8%和6.6%，具有巨大的增長潛力。同時，對光伏發電與電網系統的關系做了探討，光伏發電的快速發展對電網系統管理提出了新的挑戰，電力系統運營商、監管機構和光伏廠商必須加強協作以推進光伏并網建設。

關鍵詞：光伏發電；可再生能源；能源結構；電網系統

0 引言

化石能源價格上漲導致的全球電力成本上升，以及各國制定的可再生能源發展目標和相關支持政策，推動了太陽能、風能等可再生能源發電的持續發展。截至2014年底，全球可再生能源新增裝機135 GW，裝機總量同比增長8.5% 至1712 GW，在全球發電裝機容量中占比增至27.7%，可滿足全球電力需求的22.8%[1]。其中，太陽能光伏發電在全球能源結構變革中扮演著日益重要的角色，在過去5年內其年均增長率達到約55%[2]。2008～2014年，全球光伏組件價格平均下跌超過了80%[3,4]，其在整體光伏發電系統裝機成本中所占比例已低于40%[5]。緣于光伏系統裝機成本的下降和電力價格的上升，全球光伏市場在近年來得以迅猛發展，至2014年上半年，全球有超過53座容量大于50 MW的光伏電站投入運行，其中規模較大的50座光伏電站裝機容量總和超過了5.1 GW。

另一方面，2011年日本福島的核事故對全球能源市場造成了巨大震動，促使能源投資加速從核能等傳統能源產業向太陽能光伏等可再生能源產業流動。僅2012年一年，全球在小型分布式發電系統(主要為光伏發電)領域的投資已超過720億美元，占整體可再生能源產業投資的30.2%[6]。而在2014年，全球可再生能源投資已達2702億美元，其中，在太陽能領域的投資較前一年增長25%至1496億美元，遠超風能995億美元的投資額(這兩者當年之和占到全球可再生能源和燃料投資總額的92%)。除此以外，2014年全球可再生能源投資中地熱發電增長23%至27億美元，而生物質能發電則下降8%至51億美元，廢物發電下降10%至84億美元，小水電投資下降17%至45億美元[7]。

目前看來，在越來越多的國家和地區光伏發電成本已逐漸接近居民用電零售價格。隨著能源危機的凸顯和各國應對氣候變化的壓力日漸

1 全球可再生能源發電發展情況

近年來，隨著全球可再生能源技術水平的提高，相關設備的制造成本隨之下降，這使得太陽能、風能等可再生能源逐漸具備了同傳統化石能源相競爭的成本優勢。在全球生態環境問題日益突出的背景下，可再生能源發展速度將不斷加快，產業規模繼續擴大。2013年可再生能源裝機量增長8.3%，占全球發電裝機容量凈增長量的56%[8]；發電量增長16.3%，在全球電力供應中的比重從2008年的2.7%增至2013年的5.3%(見圖1)[9]。國際可再生能源機構(IRENA)和國際能源署(IEA)預測，至2030年可再生能源在全球能源構成中的比例將增至21%～36%[10]，超過燃煤成為全球電力的主要來源，其中，間歇式供電(太陽能光伏和風能)的份額約為45%[11]。

圖1　全球可再生能源發電量的增長趨勢

目前全球可再生能源對一次能源增長的貢獻已經超過了天然氣，在全球一次能源中占比達到2.2%。在年度增量及可再生能源在各國能源結構中的比重方面，歐盟作為一個整體仍領先于中國和美國，其約有15%的電力來自可再生能源，這源于歐盟燃油、燃煤和核能電站開始陸續進入退役階段，且有相當大比例的風力和光伏等可再生能源發電設備逐步投入運行(見圖2)[12]。

圖2　2000 ～2013年歐盟新增凈發電容量

在計入退役設施的情況下，歐盟2013年新增發電容量中排在前5位的都是可再生能源，分別為風力發電、光伏發電、水力發電、生物質能發電和聚光太陽能熱發電(見圖3)[12]。若按新增凈發電容量考察，光伏發電(10335 MW)和風力發電(10835 MW)已縮小差距，且遠超水力發電(1197 MW)、生物質能發電(705 MW)和聚光太陽能熱發電(419 MW)。

圖3　2013年歐盟新增發電容量

2 全球太陽能光伏發電發展情況

2000年以來全球累計光伏產能增長了兩個數量級，復合年增長率達到了50%[13]。統計數據顯示，自2013年11.8 GW的新增光伏系統并網后，中國已成為全球最大的光伏市場。然而從累計光伏裝機容量來看，歐洲仍保持著世界領先地位(見表1)[12]，至2013年底其累計光伏裝機容量占到全球總量的59%。與之相比，亞洲地區(包括中國)則表現出了更快的增長速度，其同期累計光伏裝機容量達到40.6 GW，占非歐洲國家累計光伏裝機總量的68%。

表1　2004～2013年全球光伏累計裝機容量變化/ MW

2014年全球新增光伏裝機容量約38.7 GW，累計光伏裝機容量達到了177 GW(見圖4)[1]，其整體變化趨勢與2013年基本一致，中國光伏增長速度居世界首位，之后分別是日本、美國、英國和德國，這5個國家當年新增并網光伏裝機容量都超過了1 GW。其中，不論按總量還是人均計算，德國仍是全球最大的光伏市場(見表2)[14]。

圖4　2004～2014年全球光伏累計容量變化

表2　2014年光伏裝機總量和新增裝機容量前10位國家

3 光伏發電在可再生能源結構中的地位與發展趨勢

2014年全球可再生能源發電實現了高速發展，國際能源署(IEA)預計到2020年可再生能源發電量、新增裝機容量及相關投資都將繼續保持強勁增長(見表3、表4)[15]。

與此同時，全球并網光伏發電容量中有近60%屬于近3年來的新增裝機(其中中國約占30%)，表現出令人矚目的發展態勢。因此，未來幾年內光伏發電在可再生能源中所占份額將不斷擴大(見圖5、圖6)。據國際能源署《2014年太陽能光伏發電技術路線圖》預測，至2050年光伏發電量將占到全球發電總量的約16%[16]。

4 光伏發電與電網系統的關系

目前光伏發電行業仍存在一定的政策不確定性和電力系統結構問題，隨著光伏發電在電力供應中份額的持續增長，光伏發電的隨機波動性和間歇性對整個電力系統的影響愈加明顯[17,18]。

表3　全球可再生能源總裝機容量和發展趨勢/ GW

表4　全球可再生能源發電量和發展趨勢/TWh

圖5　全球光伏累計裝機容量在可再生能源中的份額和變化趨勢

圖6　全球光伏發電量在可再生能源中的份額和變化趨勢

圖7　2013年部分國家光伏發電峰值功率與用電負荷區間

以歐洲作為考察對象，近1年來光伏發電在歐洲電力需求總量中占3%(按并網容量計算)，在歐洲峰值發電量中占比約6%。對一些國家2013年光伏發電峰值功率與用電負荷進行對比分析(見圖7)[12]，德國光伏發電對全國電力平均貢獻率約為49%，其他國家則在20%～25%之間，其中，希臘的瞬時光伏貢獻率最高達到了77%。這些國家光伏系統的滿負荷生產電力開始逐漸接近其全國最小用電負荷，使電力系統管理面臨的壓力日漸增大，且由于光伏組件傾角和氣候等因素的影響，光伏陣列系統并不是同時滿負荷運行，因此，電力系統運營商、監管機構和光伏廠商必須增進協作以加大光伏并網的建設力度。同時，在推進光伏并網的過程中，還需要在電能質量、線路潮流、電力系統保護、運行調度[19]和電網經濟性運行等諸多方面加以綜合考慮。

5 結束語

太陽能光伏發電的發展潛力及其社會效益愈發引人關注，已開始在全球能源供應中起到重要作用。縱觀2000年以來的趨勢，光伏發電已逐漸成為可再生能源電力的主要組成部分，并不斷蠶食電力市場中天然氣和風力發電的份額。對全球能源市場發展的各種預測均顯示光伏發電極有可能發展成未來最主要的3種新能源技術之一，不論在歐洲、中國還是世界其他國家和地區，光伏發電在能源結構中的比重都將繼續增大。同時，光伏電力的快速增長及其并網管理都對電力系統提出了更高的要求。

參考文獻

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通信作者：喬俊強(1979—)，男，博士、副研究員，主要從事先進功能材料制備及其在可再生能源中應用方面的研究。qiao@unido-isec.orgbook=7,ebook=8增大，未來太陽能光伏產業有望實現更快的發展，并且光伏發電成本也將保持穩定甚至進一步降低。

基金項目：國家國際科技合作專項基金(2012DFG62120)；甘肅省科學院青年科技創新基金(2013QN-15)；甘肅省科學院應用研究與開發基金(2014JK-01)

收稿日期：2015-07-10